原標題:電磁學現象及規律探究
摘要:隨著近現代科學的產生和飛速發展,電磁學逐漸走上歷史的舞臺并成為了不可或缺的角色,其產生將原本獨立的電學和磁學融合成一個新的分支學科,而電磁學的應用在當今社會已經十分普遍。本文通過對傳統電磁學基本內容的描述,闡述了其基本的概念和規律。并以中學物理電磁學知識為切入點著重概述了電磁學的基礎現象和規律,并根據個人的了解列舉了部分電磁學的應用。
關鍵詞:電磁學;電磁波;磁場;電場
一、引言
電磁學的基礎知識涉及到高中物理的很多知識點,而作為近代科學新興起的一個分支學科,電磁學的應用已經深入到現代科學的方方面面,對現代科技的飛速發展起到了十分重要的作用。
電磁學是一門研究電、磁和電磁的相互作用的學科,它著重研究了電磁學的規律和應用,是物理學的分支。它是物理學的一個分支。廣義的電磁學包含電學和磁學,狹義上來說則是一門研究電性和磁性交互關系的學科。
二、奧斯特實驗與電磁現象的發現
1.庫倫定律
庫倫定律是中學物理涉及到的一項重要知識點,它揭示了兩個點電荷之間的力學關系,可以說是電磁學規律發現的基礎。首先我們得通過從電現象的討論入手,繼而發現電學中的力學關系就不難推倒出電與磁之間存在著怎樣的相互關系[1].
庫侖定律,即真空中兩個靜止的點電荷,它們之間的作用力與其電荷所帶電量的乘積成正比,和它們之間的距離的平方成反比,可表達為其中F為兩點電荷之間作用力,k為一比例常數,q1、q2為兩點電荷帶電量,r為兩點電荷之間距離。并且有作用力的方向沿著兩個點電荷之間連線,同名電荷相互排斥,異名電荷相互吸引。此時力F又被成為庫侖力[2].
2.奧斯特實驗
通過庫倫定律,明確了兩個點電荷之間存在著力的相互作用,在這一基礎上,物理學家們又通過不斷的實驗探索逐步發現了當帶電物體接觸磁場時也可以產生力的相互作用。其中,作為電磁的發現者,丹麥的科學家奧斯特的實驗充分的說明了通電導線和磁性物質間,確實的存在著力的作用。在1820年,他在一次電和磁的實驗中無意的發現了這一現象: 通電的鉑絲使玻璃罩內的指南針發生了擾動,雖然其效應看上去很弱,且并不規則,但卻對奧斯特產生了極大的啟發,促使他在其后他進行了大量的實驗對自己的想法進行驗證。
如上圖,是奧斯特實驗的簡單示意圖,其中導線中通過的電流大小為I,在導線旁有一個小磁針。在正常情況下,因為地磁場的作用,磁針沿南北方向,但當電流通過導線時,磁針會發生偏轉,此時說明導線對小磁針存在著力的作用。斷開電源時,磁針恢復南北指向,通過這一實驗現象我們不難看出: 通電導體對磁性的物質有力的作用。通過進一步的實驗,可以發現,這個力的作用是通過場的形式進行傳遞的。
三、電磁感應現象
通過奧斯特實驗的驗證,可以說在物理學科上開辟了一個嶄新的領域,物理學家之后又在這一領域進行了不斷的探索,期間逐步發現了安培環路定理、通電螺線管上的磁場和載流線圈的磁場等內容。通過上述的實驗逐漸確立并完善了通電導體產生磁場的基本認識,同時磁場也可能反過來產生電流或者電動勢的假設也很快被提出,即之后廣為人知并物理學上起著非常重要作用的電磁感應現象。
1831年著名物理學家法拉第通過實驗率先驗證了電磁感應現象,即變化磁通量中的導體,會產生電動勢,稱為感應電動勢。用公式表達為其中E為感應電動勢(V) ,n為感應線圈匝數,ΔΦ/Δt是磁通量的變化率) .
因為磁通量變化產生感應電動勢現象的發現,是近現代科學領域中最偉大的發現之一。電磁感應現象不單單揭示了電與磁的內在聯系,而且奠定了電與磁之間的相互轉化的理論基礎,使得人們獲取巨大而廉價的電能成為了可能,對現代社會科技的變革產生了重大的意義。當今,電磁感應現象的應用在電工、電子技術、電氣化、自動化等諸多方面有著非常廣泛的應用,極大的推動了社會生產力和科學技術的進步。